高分子物理实验
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实验三 差示扫描量热法(DSC)测定聚合物的热力学转变
2011011743 分1 黄浩
实验日期：2014-2-26
一、实验目的
1. 掌握差示扫描量热法(DSC)的基本原理和差示扫描量热仪的使用方法;
2. 测定聚合物的玻璃化温度Tg、熔点Tm和结晶温度Tc;
二、实验原理
差热分析是测量在同一加热炉中由于温度变化在测量样品和参比材料（α-Al2O3）之间
的温差，简称DTA。差示扫描量热法（DSC)是测量在同一加热炉中为保持样品和参比材料
之间相同温度所需的d(∆H)/dT，简称DSC。所以DTA的测量是不定量的，而DSC可用于
转变焓的定量测定。
聚合物中一些重要物理变化可以用DSC或DTA来测定，如玻璃化温度Tg，结晶温度
Tc，结晶熔化温度Tm及解聚温度TD等，用DSC还可测得这些变化的焓值。一些含有热
效应的化学变化也可用DTA或DSC来测定。
DSC是在程序控制温度下，测量输给试样和参比物的功率差与温度关系的一种技术。
经典DTA常用一金属块作为试样保持器以确保试样和参比物处于相同的加热条件下。
而DSC的主要特点是试样和参比物分别各有独立的加热元件和测温元件，并由两个系统进
行监控。其中一个用于控制升温速率，另一个用于补偿试样和惰性参比物之间的温差。图
1显示了DTA和DSC加热部分的不同，图2 为常见DSC的原理示意图。
(1) DTA (2)DSC 图2 功率补偿式DSC原理图
图1 DTA和DSC加热元件示意图 1-温差热电偶；2-补偿电热丝；3-坩埚；4-电炉；5-控温热电偶
试样在加热过程中由于热效应与参比物之间出现温差ΔT时，通过差热放大电路和差
动热量补偿放大器，使流入补偿电热丝的电流发生变化：当试样吸热时，补偿放大器使试
样一边的电流立即增大；反之，当试样放热时则使参比物一边的电流增大，直到两边热量
平衡，温差ΔT
消失为止。换句话说，试样在热反应时发生的热量变化，由于及时输入电高分子物理实验
聚合物的热谱分析—示差扫描量热法（DSC）
1. 实验目的
（1）了解示差扫描量热法（DSC）的工作原理及其在聚合物研究中的应用。
（2）初步学会使用DSC仪器测定高聚物的操作技术。
（3）用DSC测定环氧树脂的玻璃化转变温度。
2. 实验原理
示差扫描量热法（DSC，Differential Scanning Calorimentry）是在程序温度控制下，测量试样与参比物之间单位时间内能量差（或功率差）随温度变化的一种技术。它是在差热分析（DTA，Differential Thermal Analysis）的基础上发展而来的一种热分析技术，DSC在定量分析方面比DTA要好，能直接从DSC曲线上峰形面积得到试样的放热量或吸热量。
DSC仪主要有功率补偿型和热流型两种类型。NETZSCH公司生产的系列示差扫描量热仪即为功率补偿型。仪器有两只相对独立的测量池，其加热炉中分别装有测试样品和参比物。这两个加热炉具有相同的热容及导热参数，并按相同的温度程序扫描。参比物在所选定的扫描温度范围内不具有任何热效应。因此，在测试的过程中记录下的热效应就是由样品的变化引起的。当样品发生放热或吸热变化时，系统将自动调整两个加热炉的加热功率，以补偿样品所发生的热量改变，使样品和参比物的温度始终保持相同，使系统始终处于“热零位”状态。这就是功率补偿DSC仪的工作原理，即“热零位平衡”原理。
假设试样放热速率为ΔP（功率），试样底下热电偶的温度将高于参比物底下热电偶的温度，产生温差电势VΔT（图中上负下正的温差电势），经差热放大器放大后送到功率补偿放大器，输出功率ΔPc使试样下的补偿加热丝电流Is减小，参比物下的补偿加热丝电流Ir增大，使参比物热电偶温度高于试样热电偶的温度，产生一个上正下负的温差电势，抵消了因试样放热时产生的VΔT，使VΔT→0，即使试样与参比物之间的温差ΔT→0。
功率补偿型DSC曲线与基线之间所围的面积代表试样放热量或吸热量。
Tg测量方法-DSC
1．DSC - Differential Scanning Calorimetry差示扫描量热法
2．DSC通过测量比热容的变化来表征Tg
利用DSC测量玻璃化转变温度
• Tg是一个吸热阶段，材料需要吸收热能向橡胶态去转变。这个转变可以用通过DSC进行表征，依据ASTM E1356，“Standard Test Method for
Assignment of the Glass Transition Temperature by Differential Scanning
Calorimetry”。样品制备和检测采用同测量固化动力学相同的办法，除了这里测量的样本是已经固化了的。样本可以在DSC之外固化，使用固定的固化曲线（如烘箱固化、隧道炉、加热管等等），或者可以在DSC内固化，使用预设的动力学或者等温扫描。
• Tg横跨一个温度范围而不是发生在一个特定的温度点的原因，是聚合物链段需要时间去提高因为受到热能而产生的可移动性。只有很少的热能时，部分更加柔性链段及侧链可以开始有一点移动能力。这些小范围的移动使得空间自由度上有了提升，导致某些更大的或者更坚硬的部分在受到更高能量作用时，也可以进行移动。
• 因此，即便是在一个持续的温度下，向橡胶态转变需要时间进行。但是，一个材料的Tg是通过在某个温升过程中进行测量，温升速率将会很大程度上决定Tg的位置点。缓慢点的升温速率使得聚合物链有更多的时间在受到热能时进行排列，从而导致测量的Tg更低。
• 另一方面，快速的扫描会导致温度升高的速度比链段对受热响应的速度快很多，得出的Tg响应区域会推迟到更高的温度。因此，核对Tg注明的测试条件是非常必须的。升温速率为10℃/min和20℃/min是工业中常见两种测试条件。20℃/min使用得更多一些，因为这样可以将测量时间减半。但是，它会出现更高的Tg值。
DSC 差示扫描量热法
差示扫描量热法（differential scanning calorimetry）这项技术被广泛应用于一系列应用，它既是一种例行的质量测试和作为一个研究工具。该设备易于校准，使用熔点低，是一种快速和可靠的热分析方法。差示扫描量热法(DSC)是在程序控制温度下，测量输给物质和参比物的功率差与温度关系的一种技术。DSC和DTA仪器装置相似，所不同的是在试样和参比物容器下装有两组补偿加热丝，当试样在加热过程中由于热效应与参比物之间出现温差ΔT时，通过差热放大电路和差动热量补偿放大器，使流入补偿电热丝的电流发生变化，当试样吸热时，补偿放大器使试样一边的电流立即增大；反之，当试样放热时则使参比物一边的电流增大，直到两边热量平衡，温差ΔT消失为止。换句话说，试样在热反应时发生的热量变化，由于及时输入电功率而得到补偿，所以实际记录的是试样和参比物下面两只电热补偿的热功率之差随时间t的变化关系。如果升温速率恒定，记录的也就是热功率之差随温度T的变化关系。
物质在温度变化过程中，往往伴随着微观结构和宏观物理，化学等性质的变化。宏观上的物理，化学性质的变化通常与物质的组成和微观结构相关联。通过测量和分析物质在加热或冷却过程中的物理、化学性质的变化，可以对物质进行定性，定量分析，以帮助我们进行物质的鉴定，为新材料的研究和开发提供热性能数据和结构信息。
在差热分析中当试样发生热效应时，试样本身的升温速度是非线性的。以吸热反应为例，试样开始反应后的升温速度会大幅度落后于程序控制的升温速度，甚至发生不升温或降温的现象;待反应结束时，试样升温速度又会高于程序控制的升温速度，逐渐跟上程序控制温度，升温速度始终处于变化中。而且在发生热效应时，试样与参比物及试样周围的环境有较大的温差，它们之间会进行热传递，降低了热效应测量的灵敏度和精确度。因此，到目前为止的大部分差热分析技术还不能进行定量分析工作，只能进行定性或半定量的分析工作，难以获得变化过程中的试样温度和反应动力学的数据。DSC分析与差热分析相比，可以对热量作出更为准确的定量测量测试，具有比较敏感和需要样品量少等特点。
